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| Methoden zur Bestimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften
A.6 Wasserlöslichkeit |
Anhang V zur RL 67/548/EWG |
A.6. 1. Methode
Den hier beschriebenen Methoden liegt die OECD-Prüfrichtlinie (1) zugrunde.
A.6. 1.1. Einleitung
Vor Durchführung dieser Prüfung sollten Vorinformationen über die Strukturformel, den Dampfdruck, die Dissoziationskonstante und das Hydrolyseverhalten (als Funktion des pH-Wertes) des Stoffes vorliegen.
Für den gesamten Bereich der Wasserlöslichkeit reicht eine einzige Methode nicht aus.
Die beiden nachstehend beschriebenen Prüfmethoden decken den gesamten Bereich der Löslichkeiten ab, eignen sich jedoch nicht für flüchtige Stoffe:
Die Wasserlöslichkeit der Prüfsubstanz kann durch Verunreinigungen erheblich beeinflußt werden.
A.6. 1.2. Definition und Einheiten
Die Wasserlöslichkeit einer Substanz wird durch ihre Massen-Sättigungskonzentration in Wasser bei einer bestimmten Temperatur angegeben. Die Wasserlöslichkeit wird in Masseneinheiten pro Lösungsvolumen angegeben. Die SI-Einheit ist kg/m3 (g/l kann auch benutzt werden).
A.6. 1.3. Referenzsubstanzen
Referenzsubstanzen müssen nicht in allen Fällen verwendet werden, in denen eine neue Prüfsubstanz untersucht wird. Die Referenzsubstanzen sollten in erster Linie dazu dienen, die Methode von Zeit zu Zeit zu überprüfen und einen Vergleich mit den Ergebnissen aus anderen Methoden zu ermöglichen.
A.6. 1.4. Prinzip der Prüfmethode
Die ungefähre Probenmenge und die zum Erreichen der Sättigungskonzentration notwendige Zeit sollen in einem einfachen Vorversuch bestimmt werden.
A.6. 1.4.1. Säulen-Elutions-Methode
Diese Methode basiert auf der Elution einer Prüfsubstanz mit Wasser aus einer Mikro-Säule, die mit einem inerten Trägermaterial wie Glaskugeln oder Sand gefüllt ist, welches mit einem Überschuß an Prüfsubstanz beschichtet ist. Die Wasserlöslichkeit wird bestimmt, wenn die Massenkonzentrationen aufeinanderfolgender Eluatfraktionen konstant sind. Dies zeigt sich in einem Konzentrationsplateau in Abhängigkeit von der Zeit.
A.6. 1.4.2. Kolben-Methode
Bei dieser Methode wird die Substanz (Feststoffe müssen pulverisiert werden) bei einer Temperatur in Wasser aufgelöst, die leicht über der Prüftemperatur liegt. Wenn die Sättigung erreicht ist, wird die Lösung abgekühlt und bei der Prüftemperatur gehalten. Die Lösung wird gerührt, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Alternativ kann die Messung unmittelbar bei der Prüftemperatur durchgeführt werden, wenn durch entsprechende Probenahme gesichert ist, daß das Sättigungsgleichgewicht erreicht ist. Dann wird die Konzentration der Prüfsubstanz in der wäßrigen Lösung, die keine ungelösten Substanzteilchen enthalten darf, mit einer geeigneten Analysenmethode bestimmt.
A.6. 1.5. Qualitätskriterien
A.6. 1.5.1. Wiederholbarkeit
Bei der Säulen-Elutions-Methode ist eine Wiederholbarkeit von < 30 % erreichbar. Bei der Kolbenmethode sollte sie bei < 15 % liegen.
A.6. 1.5.2 Empfindlichkeit
Sie hängt von der Analysenmethode ab. Es können jedoch Massenkonzentrationen bis hinunter zu 10-6 g/l bestimmt werden.
A.6. 1.6 Beschreibung der Methode
A.6. 1.6.1 Prüfbedingungen
Die Prüfung ist vorzugsweise bei 20 °C ± 0,5 °C durchzuführen. Wenn eine Temperaturabhängigkeit der Wasserlöslichkeit > 3 %/ °C vorzuliegen scheint, wird bei zwei weiteren Temperaturen, die mindestens 10 °C unter und über der ursprünglich gewählten Temperatur liegen, ebenfalls gemessen. In diesem Fall sollte die Temperaturkonstanz bei ± 0,1 °C liegen. Die gewählte Temperatur soll in den wichtigen Teilen der Apparatur konstant gehalten werden.
A.6. 1.6.2. Vorversuch
Etwa 0,1 g der Probe (feste Substanzen müssen pulverisiert sein) werden in einem mit Glasstopfen verschließbaren 10-ml-Messzylinder gegeben. Gemäß der Tabelle wird portionsweise destilliertes Wasser von Raumtemperatur zugesetzt.
| 0,1 g lösliche Substanz in "x" Wasser | 0,1 | 0,5 | 1 | 2 | 10 | 100 | >100 |
| Ungefähre Löslichkeit (g/l) | >1000 | 1000-200 | 200-100 | 100-50 | 50-10 | 10-1 | < 1 |
Nach jedem Zusatz der in der Tabelle angegebenen Wassermenge wird die Mischung 10 min kräftig geschüttelt und mit bloßem Auge auf ungelöste Teilchen untersucht. Wenn nach Zusatz von 10 ml Wasser die Probe oder Teile von ihr ungelöst bleiben, ist der Versuch in einem 100-ml-Meßzylinder mit größeren Mengen Wasser zu wiederholen. Bei geringer Löslichkeit kann die zur Auflösung einer Substanz erforderliche Zeit erheblich länger sein (bis zu 24 Stunden). Die ungefähre Löslichkeit ist in der Tabelle angegeben, und zwar unter dem Volumen des zur vollständigen Auflösung der Probe notwendigen Wassers. Ist die Substanz noch immer nicht vollständig gelöst, sollte der Versuch länger als 24 Stunden (maximal 96 Stunden) durchgeführt oder weiter verdünnt werden, um festzustellen, ob entweder die Säulen-Elutions- oder die Kolben-Methode zu benutzen ist.
A.6. 1.6.3. Säulen-Elutions-Methode
A.6. 1.6.3.1. Trägermaterial, Lösungsmittel und Eluent
Das Trägermaterial für das Säulen-Elutionsverfahren muß inert sein. Geeignete Trägermaterialien sind Glaskugeln und Sand. Zur Aufbringung der Prüfsubstanz auf das Trägermaterial sollte ein geeignetes flüchtiges und analytisch reines Lösungsmittel benutzt werden. Als Eluent wird in einer Glas- oder Quarz-Apparatur doppelt destilliertes Wasser verwendet.
Anmerkung:
Direkt aus einem organischen Ionenaustauscher entnommenes Wasser sollte nicht benutzt werden.
A.6. 1.6.3.2. Aufbringung auf das Trägermaterial
Etwa 600 mg Trägermaterial werden abgewogen und in einen 50-ml-Rundkolben eingefüllt.
Eine geeignete Menge Prüfsubstanz wird abgewogen und in dem vorgesehenen Lösungsmittel gelöst. Eine ausreichende Menge dieser Lösung wird zum Trägermaterial hinzugefügt. Das Lösungsmittel muß vollständig abgezogen werden, z.B. in einem Rotationsverdampfer, da sonst wegen Verteilungseffekten auf der Oberfläche des Trägermaterials keine vollständige Sättigung dieses Materials mit Wasser erzielt wird.
Das Aufbringen der Prüfsubstanz auf das Trägermaterial kann problematisch werden (fehlerhafte Ergebnisse), wenn sich die Prüfsubstanz ölartig oder als eine andere Kristallphase auf dem Träger niederschlägt. Dieser Sachverhalt sollte experimentell untersucht und Einzelheiten dazu mitgeteilt werden.
Das beladene Trägermaterial läßt man etwa 2 Stunden lang in etwa 5 ml Wasser quellen. Dann wird die Suspension in die Mikrosäule gefüllt. Es ist auch möglich, das trockene, beladene Trägermaterial in die Mikrosäule zu füllen, die zuvor mit Wasser gefüllt wurde. Auch hier wird der Quellvorgang von etwa 2 Stunden abgewartet.
Weitere Versuchsdurchführung:
Die Elution der Prüfsubstanz vom Trägermaterial kann auf zwei verschiedene Arten vorgenommen werden:
A.6. 1.6.3.3. Säulen-Elution mit der Umwälzpumpe
Apparatur:
Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung eines typischen Systems. Eine geeignete Mikrosäule ist in Abbildung 2 dargestellt. Allerdings ist jede andere Größe ebenfalls akzeptabel, vorausgesetzt, sie erfüllt die Kriterien der Vergleichbarkeit und Empfindlichkeit. Der Kopfraum der Säule sollte die Größe von mindestens fünf Säulenbett-Volumina Wasser haben und mindestens fünf Proben aufnehmen können. Der Kopfraum kann kleiner gehalten werden, wenn die anfänglich mit den Verunreinigungen entnommenen fünf Säulenbett-Volumina durch Nachfüllen von Lösungsmittel ersetzt werden.
Die Säule sollte mit einer Umwälzpumpe verbunden werden, die einen Fluß von etwa 25 ml/h fördert. Die Pumpe wird mit Polytetrafluorethylen-Schläuchen (PTFE) und/oder Glasrohren angeschlossen. Bei der aus Säule und Pumpe zusammengesetzten Apparatur soll eine Möglichkeit zur Entnahme von Eluat-Proben und zum Druckausgleich des Kopfraumes mit der Atmosphäre vorgesehen sein. Das beladene Trägermaterial wird durch einen kleinen (5 mm) Propfen aus Glaswolle in der Säule gehalten, der gleichzeitig zum Herausfiltern von Partikeln dient. Die Umwälzpumpe kann z.B. eine Schlauch- oder eine Membranpumpe sein. (Dabei ist darauf zu achten, daß es nicht zu einer Verunreinigung und/oder Absorption durch das Schlauchmaterial kommt.).
Meßverfahren:
Der Säulenfluß wird in Gang gesetzt. Eine Durchflußleistung von etwa 25 ml/h wird empfohlen (etwa 10 Säulenbett-Volumina/h bei der beschriebenen Säule). Die ersten fünf Säulenbett-Volumina (mindestens) werden verworfen, um wasserlösliche Verunreinigungen zu entfernen. Danach läßt man die Umwälzpumpe bis zur Einstellung des Gleichgewichts laufen. Das Gleichgewicht ist erreicht, wenn bei fünf aufeinanderfolgenden Proben die Konzentrationen um nicht mehr als ± 30 % streuen. Diese Proben sollten in solchen zeitlichen Abständen genommen werden, in denen mindestens zehn Säulenbett-Volumina der Lösung die Säule durchlaufen haben.
A.6. 1.6.3.4. Säulen-Elution mit dem Niveaugefäß
Apparatur (siehe Abbildungen 4 und 3)
Niveaugefäß: Der Anschluß des Niveaugefäßes wird mit einem Glasschliff-Verbindungsstück vorgenommen, das mit einem PTFE-Schlauch verbunden ist. Eine Durchflußrate von ca. 25 ml/h wird empfohlen. Aufeinanderfolgende Eluat-Fraktionen werden gesammelt und ihre Konzentrationen mit der gewählten Analysenmethode bestimmt.
Meßverfahren:
Diejenigen Fraktionen des mittleren Eluatbereichs, bei denen die Konzentrationen in mindestens fünf aufeinanderfolgenden Proben konstant bleiben (± 30 %), werden zur Bestimmung der Wasserlöslichkeit benutzt.
In beiden Fällen (bei Verwendung einer Umlaufpumpe ebenso wie bei Verwendung eines Niveaugefäßes) wird ein zweiter Durchlauf mit halber Durchflußrate durchgeführt. Stimmen die Ergebnisse der beiden Versuche überein, wird das Prüfergebnis als zufriedenstellend betrachtet. Ist die Löslichkeit bei dem niedrigeren Durchfluß höher, muß die Durchflußleistung weiterhin so lange halbiert werden, bis zwei aufeinanderfolgende Versuchsdurchläufe die gleiche Löslichkeit ergeben.
In beiden Fällen (sowohl mit Umwälzpumpe als auch mit dem Niveaugefäß) sollten die Fraktionen durch Prüfung des Tyndall-Effekts (Lichtstreuung) auf kolloidale Substanzpartikel untersucht werden. Wenn solche Substanzpartikel in der Lösung vorkommen, ist das Prüfergebnis unbrauchbar. Die Prüfung sollte dann wiederholt werden, nachdem die Filterfunktion der Säule verbessert wurde.
Der pH-Wert jeder Probe sollte aufgenommen werden. Ein zweiter Durchlauf sollte bei der gleichen Temperatur durchgeführt werden.
A.6. 1.6.4. Kolben-Methode
A.6. 1.6.4.1. Geräte
Für die Kolbenmethode braucht man folgende Geräte:
A.6. 1.6.4.2. Meßverfahren
Die zur Sättigung des vorgegebenen Wasservolumens erforderliche Prüfsubstanzmenge wird anhand der Ergebnisse des Vorversuches abgeschätzt. Das erforderliche Wasservolumen hängt von der Analysenmethode sowie dem Löslichkeitsbereich ab. Etwa fünfmal soviel Prüfsubstanz wie die geschätzte Menge wird jeweils in drei mit Glasstopfen versehene Glasgefäße eingefüllt (z.B. Zentrifugenröhrchen oder Kolben). Das gewählte Wasservolumen wird allen Gefäßen zugesetzt, die daraufhin fest verschlossen werden. Die geschlossenen Gefäße werden dann bei 30 °C geschüttelt (Dazu sollte ein Schüttel- oder Rührgerät, das bei konstanter Temperatur arbeitet, verwendet werden, z.B. magnetisches Rühren in einem thermostatisierten Wasserbad). Nach einem Tag wird eines der Gefäße entnommen und 24 h unter gelegentlichem Schütteln bei Prüftemperatur stehengelassen, bis sich das Gleichgewicht wieder eingestellt hat. Dann wird der Inhalt des Gefäßes bei Prüftemperatur zentrifugiert und die Konzentration der Prüfsubstanz in der klaren wäßrigen Phase mit einem geeigneten Analysenverfahren bestimmt. Mit den beiden anderen Kolben wird nach zwei bzw. drei Tagen genauso verfahren, nachdem zuvor das Sättigungsgleichgewicht bei 30 °C eingestellt wurde. Entsprechen die Prüfergebnisse - mindestens die der beiden letzten Kolben - der geforderten Wiederholbarkeit, ist die Prüfung als zufriedenstellend anzusehen. Die gesamte Prüfung sollte unter Verlängerung der Zeiten für die Gleichgewichtseinstellung wiederholt werden, wenn die Prüfergebnisse der Kolben 1, 2 und 3 eine steigende Tendenz aufweisen.
Das Meßverfahren kann auch ohne Präinkubation bei 30 °C durchgeführt werden. Um den Grad des erreichten Sättigungsgleichgewichts zu bestimmen, werden so lange Proben entnommen, bis die Konzentration der Prüflösung nicht länger von der Rührzeit beeinflußt wird.
Der pH-Wert jeder Probe sollte aufgenommen werden.
A.6. 1.6.5. Analyse
Für diese Bestimmungen ist eine substanzspezifische Analysenmethode vorzuziehen, da bereits kleine Mengen von löslichen Verunreinigungen große Fehler bei der Bestimmung der Löslichkeit verursachen können. Beispiele für solche Analysenmethoden sind: Gas- oder Flüssigkeitschromatographie, Titrierverfahren, photometrische Methoden, voltametrische Verfahren.
A.6. 2. Daten
A.6. 2.1. Säulen-Elutions-Methode
Es wird der Mittelwert von mindestens fünf aufeinanderfolgenden Proben aus dem Bereich des Sättigungsplateaus berechnet, wie auch die Standardabweichung. Die Einheiten sollten in Masseneinheiten pro Lösungsvolumen angegeben werden.
Die für zwei Prüfungen mit unterschiedlichen Durchflußleistungen berechneten Mittelwerte sollten verglichen werden. Dabei sollte die Wiederholbarkeit bei unter 30 % liegen.
A.6. 2.2. Kolben-Methode
Die einzelnen Ergebnisse sollten für jeden der drei Kolben angegeben werden. Diejenigen Ergebnisse, die als konstant angesehen werden (Wiederholbarkeit unter 15 %), sollten gemittelt und in Masseneinheiten pro Lösungsvolumen angegeben werden. Bei sehr hoher Löslichkeit (> 100 g/l) kann es notwendig sein, die Masseneinheiten mittels der Dichte in Volumeneinheiten umzuwandeln.
A.6. 3. Abschlußbericht
A.6. 3.1. Säulen-Elutions-Methode
Im Prüfbericht ist, wenn möglich, folgendes anzugeben:
A.6. 3.2. Kolben-Methode
Im Prüfbericht ist, wenn möglich, folgendes anzugeben:
A.6. 4. Literatur
(1) OECD, Paris, 1981, Test Guideline 105, Decision of the Council C(81) 30 final.
(2) NF T 20-045 (AFNOR) (Sept. 85). Chemical products for industrial use - Determination of water solubility of solids and liquids with low solubility - Column elution method
(3) NF T 20-046 (AFNOR) (Sept. 85). Chemical products for industrial use - Determination of water solubility of solids and liquids with low solubility - Flask method.
Anlage
zur RL 67/548/EWG Anhang V A.6
Abbildung 1: Säulen-Elutions-Methode mit Umwälzpumpe
Abbildung 2: Typische Mikrosäule
Abbildung 3: Typische Mikrosäule
Abbildung 4: Säulen-Elutions-Methode mit Niveaugefäß
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(Stand: 04.08.2022)
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